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P
B S
ROGETTO
ICI
OLARE
TECNOLOGIA E NATURA
CLASSE IV° A
ELETTRONICO INFORMATICO
ITIS ‘GALILEO GALILEI’ AREZZO
scuola–lavoro 2012/2013
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L’ utopia è, per Bloch, uno sguardo verso il futuro, dimensione del desiderio e della
speranza, espressione e proiezione in avanti dell’ aspirazione umana alla felicità…
La nostra utopia è la bicisolare, un progetto che riguarda la modifica di una bicicletta
a pedalata assistita inserendo pannelli fotovoltaici e batterie di ultima generazione,
per percorrere con finalità tecniche, culturali e di birdwatching la pista ciclabile del
Trasimeno (parte percorribile e zone limitrofe). Se raggiungeremo lo scopo che ci
siamo prefissi queste modifiche potranno essere applicate anche ad altre biciclette
vendute nella normale rete commerciale.
ANALISI PRELIMINARE
Nella bici elettrica a pedalata assistita, definita EPAC, il motore elettrico si attiva
automaticamente dopo le prime pedalate, e con un minimo sforzo acquista velocità.
Una centralina computerizzata bilancia l'inserimento della propulsione elettrica in
maniera progressiva, sin dall'inizio della pedalata. I segnali che attivano la centralina
ed il motore elettrico, sono generati da un dispositivo a sensore (pas) che percepisce
il movimento dei pedali. Con l'aumentare della rotazione dei pedali, i segnali inviati dal
sensore si fanno più frequenti, e la centralina permette di conseguenza al motore di
raggiungere via via la massima velocità. La pedalata quindi si fa sempre più fluida e
agevole. In accordo alla normativa che regola questo genere di veicoli, il motore si
disattiva quando viene raggiunta la velocità massima di 25 Km/h, oppure quando si
smette di pedalare. Il nostro progetto è perfettamente in sintonia con questo
momento di grande attenzione alle energie rinnovabili ed ai risparmi energetici. Il
progetto ha costi bassi e nell’eventuale applicazione commerciale i benefici ripagano
velocemente le spese. La possibilità di trasferimento in business è quasi certa in
quanto lo sponsor principale è una azienda, la Bianchini Energy, che promuove e
distribuisce biciclette elettriche e pannelli solari.
IL MOTORE
Il motore della bicicletta elettrica viene alimentato dalla batteria ricaricabile, e tale
operazione viene mediata da una centralina elettronica. Il motore elettrico può essere
del tipo brush, con spazzole, oppure brushless, cioè senza spazzole. I motori con
spazzole vantano una tecnica costruttiva ampiamente collaudata e che non richiede
particolari attenzioni in fase di assemblaggio e le tolleranze ammesse sono più alte.
Sono unità particolarmente robuste e che garantiscono una ottima durata. Per contro
hanno un peso superiore, un diametro maggiore ed una resa elettrica più bassa, a causa
dei maggiori attriti interni. Nei motori brushless l'assenza di spazzole consente di
eliminare virtualmente tutte le possibili fonti di attrito, la dispersione energetica
termica è decisamente bassa e la resa elevata. Si hanno vantaggi sulla riduzione della
incidenza dei guasti e la eliminazione di interferenze elettromagnetiche. La
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realizzazione costruttiva pone però esigenze di precisione e qualità negli assemblaggi
che ne innalzano i costi. Come ulteriore vantaggio si rende possibile il raggiungimento
di una maggiore velocità di rotazione, senza complicazioni dovute alle sollecitazioni
delle forze centrifughe. Una più efficace dissipazione termica consente di realizzare
unità motrici più piccole a parità di potenza. La potenza erogata può variare da 150 a
250 watt, la velocità massima raggiungibile dal veicolo è pari a 25 km/h. Il motore, con
o senza spazzole, viene solitamente integrato nel mozzo della ruota posteriore (e
talvolta quella anteriore) oppure, più raramente, integrato nel blocco pedali. In questo
caso la trasmissione del moto avviene tramite catena. Da un punto di vista costruttivo
la scelta avviene sia per questione di costi che di complessità costruttiva.
SCELTA BATTERIE
Come prima fase abbiamo scelto le batterie.
Le batterie utilizzate sulle bici elettriche sono normalmente di tre tipi: piombo-gel,
nichel metal idrato, e ioni di litio. Le prime consentono autonomie consistenti (circa
50km) a fronte di un peso piuttosto alto (circa 15kg) ed un numero di cicli di ricarica
previsto intorno a 150-200 (le migliori anche 300). Le seconde consentono
un'autonomia inferiore, circa 30km, con un peso ridotto a circa 3kg, ed una vita
prevista pari a 400 cicli. Il terzo tipo, infine, può arrivare a consentire percorrenze
elevate (fino a 50km), ed ha una vita prevista di 600-800 cicli di ricarica, e finanche
al doppio per le LiFePo4. La tecnologia degli accumulatori al litio deve tuttavia
sottostare ad elevati livelli di accuratezza costruttiva e affidabilità degli elementi
impiegati per la costruzione. Le batterie al litio di basso costo vanno incontro a
degradamento della prestazione intorno al 40percento in soli 6 mesi, e perdono qualità
sia per la massima autonomia consentita che per lo spunto, oltre a risultare poco
sicure. La vita prevista di tali batterie economiche (sulla scorta delle esperienze già
acquisite) è attestata a circa 100-120 ricariche complessive, le ultime 40-50 delle
quali con autonomia fortemente ridotta. In un ottica di risparmio al momento
dell'acquisto, molto meglio indirizzarsi alle batterie al piombo di ottima qualità, che
hanno si un peso superiore, ma forniscono una autonomia elevata, sono molto robuste,
e con un uso appropriato arrivano a sopportare anche 300 ricariche, conservando il
100 per cento della prestazione fino ad oltre la metà della loro vita. L'effetto
memoria, infine, non è una preoccupazione per qualunque tipo di batteria, quando l'uso
della batteria è accorto. E' buona norma provvedere, ogni 10-12 cariche, alla scarica
completa degli accumulatori, per favorire la loro capacità di saturare pienamente le
celle di ricarica. In assoluto, qualunque sia il tipo di batteria, il modo più efficace di
ottenere la massima prestazione di durata è scaricarla completamente prima di
effettuare una ricarica. E la ricarica deve essere fatta a fondo. Ricariche parziali non
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fanno altro che abbassare il numero di cariche totali previste per quella certa
batteria. Anche le condizioni in cui lavora la batteria possono negativamente
influenzarne la prestazione. Come ad esempio una batteria lasciata al sole cocente dei
mesi estivi, oppure al gelo dei mesi invernali in garage. Va inoltre sottolineata
l'esigenza, durante lunghi periodi di sosta della bici (come ad esempio la stagione
invernale), di caricare completamente la batteria una volta al mese per mantenere
nelle celle la totale capacità di accumulare energia.
Dopo varie elaborazioni è emerso che per noi c’erano due possibili alternative:



Batterie al piombo (Pb);





Batterie Lipo Fe4;




Elettroliti immersi in
gelatina;
Sicura ma pesante
(15 Kg);
12 A/h 36V;
Miglior rapporto
energia-consumo;
€ 150
Litio immerso in
materiale polimerico,
possibile esplosione;
Leggere;
10 A/h 36V;
Mantengono carica;
€ 300 - €370.
Le batterie sia al piombo che al litio non dovrebbero mai essere scaricate
completamente.
La durata delle batterie è dovuta da fattori: da quanto si pedala per contribuire allo
sforzo, dalla velocità tenuta, dal tipo di terreno, dal carico, dall’eventuale vento
contrario, ecc.
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Abbiamo elaborato i calcoli secondo la tabella che riassume le possibili varianti:
Velocità (V) Potenza (P) ed Energia (E)
V
(Km/h)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
P
Watt/ora/km
E
P
(watt)
(kJ/km)
(Watt)
Mani sul Mani sul
Energia Mani sulla
manubrio manubrio
al km impugnature
basse
5
0.4
3.6
5
15
2.5
5.4
14
32
8.0
7.7
29
60
20.0
10.8
55
103
42.9
14.8
94
166
83.0
19.9
149
251
146.4
25.8
224
363
242.0
32.7
323
504
378.0
40.3
448
680
576.7
49
602
894
819.5
58.5
790
1150
1150.0
69
1015
1450
1570.8
80.3
1279
1800
2100.0
92.6
1587
Watt/ora/km
Mani sulla
impugnature
basse
0.4
2.3
7.3
18.3
39.2
74.5
130.7
215.3
336.0
501.7
724.2
1015.0
1385.6
1851.5
Con questa tabella abbiamo potuto calcolare la potenza necessaria come integrazione
dai pannelli fotovoltaici come vedremo in seguito.
APPLICAZIONI DEL PROGETTO
Il nostro progetto può
risultare
utile
percorrere
per
le
GreenWay
di
media
lunghezza e fare al
contempo osservazioni
scientifiche
vedremo
Questa è
come
in
seguito.
una parola
inglese composta ed è
usata per definire una
pista
ciclo-pedonabile
immersa nel verde, ma
Vista della green way del lago Trasimeno, da noi ripresa
durante le prove di fattibilità di settembre 2012.
non è solo questo: con una greenway si può ottenere un tipo di turismo particolare,
verde, lento, sostenibile, con la possibilità di valorizzare dei contenuti storici,
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culturali e naturalistici che si possono riscontrare lungo il percorso, altrimenti non
valorizzabili. Il tracciato può essere disegnato su un terreno vergine, ma di solito è la
ristrutturazione di qualcosa già esistente come: sentieri naturali, linee ferroviarie
dismesse, alzaie dei fiumi, strade di campagna o declassate e in rari casi anche strade
statali. Alcune greenway attraversano parchi pubblici o parchi paesaggistici, lungo
questi percorsi è stata introdotta, mantenuta o incrementata la vegetazione; e questo
è il caso del percorso che abbiamo scelto questo anno.
ASPETTI NATURALISTICI
il lago Trasimeno, visto dalla green way, e da noi ripreso a settembre 2012.
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Il territorio circostante al lago Trasimeno si presenta come un anfiteatro collinare
che incornicia la sua superficie (126 km², il più esteso dell’Italia peninsulare); la costa
occidentale si allunga in una fascia pianeggiante aperta verso la Val di Chiana. La parte
nord-ovest del territorio del Trasimeno segna la zona di confine tra la provincia di
Perugia di cui il lago è integralmente parte, con le limitrofe provincia di Siena e
provincia di Arezzo. L'origine del bacino lacustre è legata a fenomeni tettonici
concomitanti alle fasi finali dell'orogenesi appenninica…
Questo fa sì che l’altimetria del percorso sia abbastanza regolare e ci permetta un
buon test del nostro sistema di propulsione/alimentazione.
Nel lago sono presenti tre isole:
la Polvese, la Minore e la Maggiore, l’unica abitata, che
raggiungeremo in bici con il traghetto.
Lungo le rive del lago si trovano nutrite colonie di
uccelli e quindi durante il nostro viaggio abbiamo
ipotizzato un’attività particolare molto interessante: il
Birdwatching cioè l'osservazione e lo studio degli
uccelli in natura. La composizione dell'avifauna che
popola il Lago Trasimeno varia notevolmente con l'avvicendarsi delle stagioni.
La nostra BICISOLARE si presta perfettamente perché è silenziosissima, permette
di avvicinarsi alle colonie, e grazie al gruppo di batterie di cui già dispone è un sistema
autonomo per alimentare Fotocamere – Videocamere.
Durante tali soste i pannelli fotovoltaici eseguono una ricarica ottimale che
incrementa l’autonomia della bici.
Segue una raccolta di nostre immagini:
Tra le specie di medie e grandi dimensioni, quelle più rappresentate sono la folaga, le
anatre (specialmente fischione, moriglione, alzavola, mestolone, germano reale), il
cormorano e lo svasso maggiore.
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Con il sopraggiungere della Primavera-Estate, molte delle specie presenti in inverno
lasciano il lago Trasimeno mentre altre si trattengono ed altre ancora arrivano dai
Paesi caldi per riprodursi. Fra esse spiccano per eleganza e bellezza numerose specie
di aironi.
ASPETTI PAESAGGISTICO CULTURALI
Stiamo prendendo contatti con il Comune di Passignano, che speriamo possa
formalizzare il suo patrocinio per il nostro progetto. In questo modo sarà possibile
integrare il nostro percorso con la visita della Rocca Medievale, del Museo delle
Barche e delle altre località di interesse presenti nel comune di Passignano, compreso
isola Maggiore.
Vorremo anche avere un breve incontro con i responsabili della Capitaneria di Porto,
per un progetto collaterale che prevede la realizzazione di un mezzo anfibio a
propulsione elettrica, come accennato in calce.
Tutte le fasi del Tour saranno documentate in 3D con la possibilità di fare
pubblicazioni a stampa e video, da proiettare anche al cinema, che documentino anche
il territorio
PARTE TECNOLOGICA DEL PROGETTO (in fase di completamento)
Per portare a compimento la nostra idea di compiere un percorso di 70 Km, si
richiedono particolari accorgimenti in quanto le normali bici elettriche hanno un’
autonomia limitata a 50 km; noi ovviamo a questo inconveniente con due - tre pannelli
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fotovoltaici ad alta resa ( 1 anteriore e 1 - 2 posteriori), per la ricarica durante il
percorso, e l’uso di un caricabatteria integrato.
Ogni pannello fotovoltaico eroga una tensione > di 15V, dal momento che per ricaricare
le batterie si deve superare una tensione di 36V occorrono tre pannelli fotovoltaici
montati in serie o un sistema elettronico di “survoltaggio”.
Abbiamo pensato di introdurre anche un comparatore che durante la carica delle
batterie fa interrompere l’alimentazione,quando queste risultino cariche, per far si
che non si danneggino.
COMPARATORE
Vediamo di seguito lo schema che abbiamo realizzato con i relativi calcoli:
VH = 1V
VT = ± 0.5 V VBAT = 13.8 V (ogni batteria)
VCC = ± 15 V
n= (2 VSAT )/ VH = 20.7
Vref = 12.4 V
VSMAX = 13.8 V
Prendiamo la resistenza (R) di 10 KΩ e di conseguenza nR = 207 KΩ divisa in 180 KΩ
resistenza e poi 27 KΩ un potenziometro così da ottenere il risultato desiderato.
Quando la tensione delle batterie supera 13.8 V, il comparatore interrompe la ricarica
delle batterie.
SVILUPPO SCHEMA A BLOCCHI DEI COMPONENTI UTILIZZATI NEL PROGETTO:
LEGENDA :
P.F = Pannello fotovoltaico;
A = Amperometro;
C.M.= Controllo Motore;
R = Resistenza Amperoscopica
Il diodo è necessario in quanto durante il giorno la corrente scorre dai pannelli
fotovoltaici verso le batterie anche se è presente poca luce questo comporta la loro
ricarica (si ha solo una piccola caduta sul diodo e sulla resistenza), altrimenti durante
la notte le batterie si scaricherebbero sulle resistenze interne dei pannelli portando a
un mal funzionamento. Il diodo applicato con questa configurazione impedisce alla
corrente di scorrere nel senso contrario.
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La resistenza (R) è una resistenza amperoscopica, dai cui capi si preleva una tensione
di 0.1 V che verrà usata come ingresso (Vi) dall’amplificatore operazionale integratore
invertente.
RIPORTIAMO DI SEGUITO GLI SCHEMI E LE FOTO DELLA BICICLETTA:
Cruscotto con
dispositivi di
lettura
P.F.
>
2 x P.F.
FOTO DELL’OPERA REALIZZATA:
Centralina
La BICISOLARE sotto test nel laboratorio di scuola
Batterie
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La BICISOLARE durante i test in laboratorio
Particolare del quadro di controllo: in giallo i due multimetri modificati per la misura della
potenza fornita dai pannelli solari e di quella assorbita dal motore; in grigio il navigatore;
in bianco lo smartphone per la verifica in tempo reale delle condizioni meteo e per comunicare
con gli altri del gruppo.
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E non poteva mancare la foto di
gruppo con la nostra preside, come
testimonial e collaudatrice per
l’occasione!
CLASSE
IV° A EI
dirigente prof.ssa Emanuela Caroti
PROGETTO BICISOLARE
TECNOLOGIA E NATURA
prof. Massimo Gallorini
scuola–lavoro 2012/2013
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KAJAK elettrico (schema preliminare)
Il kajak sarà dotato di 2 ruote con i motori elettrici, una per lato, alle quali verranno
fissate (ai raggi), delle pale; i motori li alimenteremo anche ad energia solare..., il
mezzo sarà in grado di muoversi sia a terra che in acqua rendendo la nostra proposta
unica e innovativa.
Non avendo eliche non ha interdizione alla navigazione in zone limitrofe alla spiaggia,
ha un impatto trascurabile nei bassi fondali mentre in zone di "secca" permette
l'avanzamento del mezzo su ruote... (Ovviamente il progetto è pensato per laghi con
bassi fondali, terreni paludosi, osservazioni naturalistiche ..., e non per il mare aperto
con onde etc. dove ci si muove con altri mezzi).
I dettagli del progetto sono fornibili in una scheda a parte.